智能家居辐射杂散测量技术研究

何观寰 刘泳海 徐振飞

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

随着物联网技术的快速发展，智能家居越来越普及。智能家居将高频宽带局域网与各种家用电器、设备相结合，通过手机APP作为用户终端，实现了远距离控制和智能化调节的功能。智能家居为人们生活带来极大便利，受到广大消费者的欢迎。然而，由于智能家居产品使用了WiFi、GPRS、ZigBee、Bluetooth、NB-IoT等射频技术，在使用的过程中，其射频模块产生的电磁骚扰，可能会影响其他电子电气产品的正常使用。因此，开展智能家居的无线电骚扰试验方法研究有重要意义。

1 智能家居系统结构分析

智能家居系统的总体结构可划分为三个部分：内部局域网、外网、智能家居网关。内部局域网主要功能是连接智能家居的无线传感器，实现各种家用电器和家居设备的互联；外网指的是以太网和小区局域网等，用于实现远程传输数据；智能家居网关负责连接内部局域网与外网，实现外网与内部局域网之间的交互。以图1为例，该系统采用B/S架构，以智能家居网关为枢纽通过WiFi、ZigBee、Bluetooth技术与智能家居设备建立连接，并在网关上架设Web服务器与用户进行通信，用户可以通过连接到因特网的PC机或其他通信设备登陆网关，对终端节点的智能家居设备进行监控与管理。

2 智能家居设备的辐射杂散骚扰

智能家居设备实现了无线传输技术与家居设备功能的融合，主要的方法是将无线传感器和无线传输模块集成于家居设备的控制主板上。无线数据传输模块的典型工作状态是发射接收射频信号，在此过程中，产生的EMI无线电骚扰种类主要为辐射杂散骚扰。辐射杂散骚扰是产品在通信过程中，除载频和与正常调制相关的边带以外离散频率上的辐射骚扰，用于评价射频模块的发射性能，辐射杂散骚扰越大，表示除有用信号带宽以外的杂散域的骚扰信号越大，则对外界其他设备的干扰就越大。辐射杂散骚扰包括谐波辐射、寄生发射和互调产物、变频产物。如果辐射杂散由射频发射引起，则可分为带外寄生发射或带内变频产物发射；如果由射频功放引起，则可分为谐波发射或主频边带发射；此外，辐射杂散还可能是由产品的机壳、内部结构和互连线缆引起。由于智能家居设备内部结构较为复杂，线路繁多，而且具有多种工作状态，往往容易产生较大的辐射杂散骚扰。因此，智能家居设备的辐射杂散骚扰测量的研究具有重要意义。

3 影响智能家居辐射杂散测量的因素

智能家居辐射杂散测量试验应根据EN 300328 V2.1.1标准[1]、YD/T 1483-2016标准[2]和GB/T 12572-2008[3]标准进行，并且依据EN 300328 V2.1.1标准提供的限值进行评价。在不同条件下对该款智能家居设备进行了多组辐射杂散试验。本章在上述标准要求的基础上，从试验场地、测量方法和工作状态三个角度对影响智能家居辐射杂散测量结果的因素进行分析。

3.1 试验场地

根据EN 300328 V2.1.1标准，辐射杂散试验可用的测量场地有开阔试验场（OATS）、半电波暗室（SAR）和全电波暗室（FAR）。由于OATS造价高且性能易受气候影响，目前业内大多数选择使用SAR或FAR测量辐射杂散。SAR五面铺贴吸波材料，地面则为导电金属，用于模拟开阔试验场，电波传播路径为直射和地面反射，主要性能指标为归一化场地衰减（NSA）和测试面场均匀性；FAR六面铺贴吸波材料，模拟自由空间传播环境，电波传播路径仅为直射，主要性能指标为静区尺寸大小、反射电平、交叉极化度等。

当测量30 MHz～1 GHz频率范围内的辐射杂散，要求实测场地衰减与理论场地衰减的偏差应在±4dB范围内，此时可用SAR和FAR作为试验场地。但使用SAR和FAR得到的测量结果未必一致，主要原因是骚扰电波的传播路径不同。SAR的场地布置如图2，SAR的地面为导电性良好的金属，地面的一侧装有转台，用于放置受试样品，距离转台若干米的另一侧装有可调式天线塔。测量时，SAR场地通过调节天线塔高度和转台角度来捕获最大测量值。SAR的电波传播路径包括直射和地面反射，所以SAR所捕获的最大测量值由直射电波和反射电波合成。FAR的场地布置如图3，FAR六面铺装吸波材料，测量时，无需调节天线高度，只需调节转台角度即可捕获最大测量值，也就是测量值等于直射值。

图1 智能家居系统结构图

图2 半电波暗室SAR测试布置

以下这种情况可能会导致SAR测到的受试样品辐射杂散最大测量值与FAR不一致：假设SAR中天线塔高度为L1时，样品辐射信号到接收天线的直射电波为P1＇，反射电波为P1＂，此时天线测量值测为P1=P1＇+P1＂；天线塔高度升到L2时，样品辐射信号到接收天线的直射电波为P2＇，反射电波为P2＂，此时天线测量值测为P2=P2＇+P2＂；假设P2＇为所有直射电波中的功率最大，但P2＜P1（因为矢量合成存在相位抵消现象），则P1为SAR所捕获的最大测量值。但对于FAR，接收天线仅能捕获直射电波，因此FAR所捕获的最大测量值为P2，而P1≠P2，即此时不同场地测出的结果不同。智能家居设备一般体积较大，直射电波与反射电波的叠加情况更加复杂，SAR与FAR测量结果往往有一定的差异，但由于SAR场地所模拟的开阔场地更贴合智能家居实际应用场景，因此，测量30 MH～1 GHz范围辐射杂散时建议使用SAR。

当测量1 GHz以上频率范围的辐射杂散，实测场地应满足CISPR 16-1-4场地电压驻波比SVSWR≤6 dB，此时适宜使用FAR作为试验场地。实际上，为了节省成本，也可以在SAR的地面按特定布置铺装吸波材料，使之满足电压驻波比要求，该布置下的SAR亦能作为1 GHz以上频率范围的辐射杂散试验场地。

3.2 测量方法（替代法和直接法）

图3 全电波暗室FAR测量布置

EN 300328 V2.1.1标准使用替代测量法进行辐射杂散测试，测试原理是使用校准发生器和替代天线等效替换受试样品，并调节发生器信号大小直到与受试样品的辐射杂散最大测试值相等，记录发生器的输出功率加上替换天线增益，即可换算出受试样品的辐射杂散最大测试值。替代测量法的好处是无需对测试系统各个单元进行校准，只需要对的发生器和替代天线进行校准即可获得精确的测量结果，而缺点则是测试时间长，操作复杂，且只能观察某些人为选定的频点的测量值，而不能全频率范围步进扫描观察。

YD/T 1483-2016标准介绍了另一种测量辐射杂散的方法—直接测量法。使用直接测量法时，需要对测量系统的各个单元进行校准，包括空间损耗、测量接受天线增益、滤波器和放大器损耗和射频电线损耗等。接收机显示的测量结果需要结合以上所有参数进行补偿，才能测到最终测量结果。对于自由空间，辐射杂散发射测试e.i.r.p由式子（1）计算得出：

式中：

Pr,f：在频率f上，测量接收机读到的杂散发射的功率（dBW或dBm，与e.i.r.p单位相同）。

kms,f：在频率f上，测量系统的校准因子（dB）。

Gf：在频率f上，经校准到测量天线的增益（dB）。

f：杂散发射的频率（MHz）。

d：发射天线与测量天线的距离（m）。

直接测量法的缺点是系统校准过程相对复杂，优点则是测量过程相对简单，且能借助测试软件进行参数补偿，从而实现自动一体化测量，测量效率高，操作简单。此外，直接测量法还能以设定的步进观察全频段的测量值，数据可读性强，参考作用大。

本次分别用替代测量法和直接测量法对某品牌智能会议终端进行辐射杂散测量，测量结果见表1（直接法与间接法测量辐射杂散）。对比后发现，两种方法的最大测量相差不超过2 dB，数据一致性高，说明直接测量法适合用于测量智能家居设备的辐射杂散。直接测量法具有不可比拟的高效率优势，并且有着稳定的可靠性，正被越来越多的实验室采用。

表1 直接法与间接法测量辐射杂散

3.3 受试样品工作状态

许多智能家居设备具有多功能的特点，其结构复杂，在不同的工作状态下，内部运行工况往往有较大区别，从而导致辐射杂散的发射值不同。以智能背景音乐主机系统为例，该类产品集成了播放影音视频、音频功率放大和网络通讯等功能，由于每种功能对应的运行模块都不相同，运行工况的差异必然会导致测量结果的差异。因此进行辐射杂散测量试验时，应该对设备的每个功能分别进行考察。但为了避免增加过多的工作量，可在各种工作状态下进行快速的预测试，并选定最严酷的条件进行正式测试。

4 结语

本文主要对智能家居系统结构、射频辐射杂散骚扰及适用标准、测试方法进行了阐述，结合试验数据进行对比与分析，从试验场地、测试方法和工作状态三个角度提出建议，对企业和机构进行智能家居系统无线电骚扰测试有一定的参考价值。